截齒工作角度布置及水射流輔助截割頭破巖研究.pdf

1、掘進機作為煤礦井下巷道掘進的關鍵裝備，其截割頭性能的好壞直接決定了掘進機性能的優(yōu)劣，為安全高效地開采煤炭資源，應當對掘進機截割頭的截齒破巖進行研究和改進，使其鉆進性能和截割性能提高?；诖?，本文對截齒工作角度和高壓水射流輔助破巖進行了研究，并根據研究結果，研發(fā)了截齒工作角度優(yōu)化的高壓水射流輔助破巖截割頭，利用煤巖截割試驗臺對其進行試驗研究。
　　以巖石的結構特性和物理機械性質為基礎，對截齒截割破巖機理進行了分析。基于實際制造中定位

2、截齒軸線和齒座底面的角度安裝工藝，建立了鉆進工況條件下截割頭截齒的空間力學模型，基于此，分析了截齒工作角度對截齒受力的影響，建立了截割頭鉆進工況條件下所受載荷模型。
　　以單齒直線破巖數值試驗為基礎，驗證ANSYS/LS-DYNA數值模擬截齒破巖的準確性。通過已驗證的數值模擬方法研究單齒鉆進破巖過程，根據仿真結果修正截齒空間力學模型，通過對不同仰角、傾斜角條件下單齒鉆進工況研究得到：截齒所受截割阻力和斜率隨著仰角、傾斜角的增大而增

3、大；截齒所受進給阻力和斜率隨著仰角的增大而增大，隨著傾斜角的增大而減??；仰角的合理選取范圍應大于齒尖錐角的0.5倍小于50?，傾斜角的合理選取范圍是20?~50?。
　　以高壓水射流沖擊破巖機理為基礎，建立了水射流破巖的流固耦合作用方程。通過對水射流噴嘴的流場特性仿真分析指出：水射流由核心段、破裂段和水滴段組成，水射流軸線上的速度逐漸衰減；對水射流的兩相混合分布規(guī)律進行了分析，在噴嘴內部，流體的介質為水，在噴嘴外部，流體的介質為兩

4、相混合，距噴嘴軸線越近，水射流的主要介質水的體積含量越高。對水射流沖擊作用下巖石變形和水射流輔助截齒破巖進行了仿真分析，得到水射流作用的應力波具有明顯的局部效應，截齒在水射流應力波作用范圍內進行破巖，當水射流輔助截齒破巖時，水射流提前于截齒破壞巖石單元，并改變巖石單元所受應力。相比較于無水射流輔助截齒破巖，當水射流壓力為20MPa時，截齒最大值受力減小率為15.77％，均值減小率為27.34%，說明水射流輔助截齒破巖具有較好的效果。

5、r>　　基于截齒工作角度對單齒鉆進工況條件下載荷研究和高壓水射流輔助截齒破巖仿真研究，根據當前截割頭截齒的布置參數，優(yōu)化截割頭截齒角度并設置高壓水射流噴嘴，從而研發(fā)了截齒工作角度優(yōu)化的高壓水射流輔助破巖截割頭。通過對優(yōu)化前后截割頭鉆進破巖試驗結果的對比分析，得到截割頭截齒工作角度優(yōu)化有效地降低截割頭載荷；鉆進工況條件下截割頭的扭矩以及進給阻力都與水射流壓力、轉速、進給速度呈指數關系，隨著水射流壓力的增大而減小，隨著轉速的增大而減小，隨著